新型碳纤维复合材料孔加工刀具

　　1．前言

　　碳纤维增强复合材料（简称CFRP）具有比强度高、比模量高、减振性好等优点，在航空航天领域得到了广泛应用，在汽车、医疗器械、体育器械等行业的应用也日益增多。随着CFRP应用领域的扩大，解决CFRP的高精度、高效加工问题也日益迫切。为此，笔者开发了一种新型孔加工刀具——电镀金刚石复合钻，可有效解决普通麻花钻加工CFRP时出现的分层和劈裂问题，并可使钻头寿命显著提高。

　　2．CFRP钻孔缺陷及改进措施

　　一般情况下，在CFRP板材上钻孔加工时，容易产生分层、劈裂、烧伤等缺陷，其中尤以分层、劈裂对加工质量影响最大。据介绍，在AV-8B飞机的制造中，由于CFRP钻孔分层、劈裂导致的零件不合格率占全机CFRP零件不合格率的60％以上［1］。
　　出现分层、劈裂现象的主要原因为：（1）CFRP叠层板由碳纤维层铺叠而成，层与层之间用树脂粘结。由于CFRP是一种各向异性材料，其机械性能在不同方向各不相同，材料沿纤维铺层方向强度较高，而垂直于纤维铺层方向的强度则取决于树脂粘结强度，一般情况下，层间结合强度仅为纤维方向强度的2．2％。（2）钻孔加工时，存在垂直于纤维铺层方向的轴向力Fz，从而在叠层板内产生正应力，当切削力产生的正应力超过树脂结合强度，则会出现树脂断裂、纤维层分层或劈裂等现象，轴向力越大，分层、劈裂现象越严重。
　　因此，解决分层、劈裂问题的一个有效途径是减小钻削轴向力。在钻削加工中，轴向力主要受钻削参数、刀具材料和钻型等因素影响。
　　在研制电镀金刚石复合钻时，为提高钻削效率和刀具寿命，选择了适宜的刀具材料，设计了新型钻头结构，并综合考虑了钻削参数对加工表面质量的影响。

　　3．电镀金刚石复合钻

　　图1所示为新研制的电镀金刚石复合钻。钻头基体材料为45钢，直径?7．8mm（工件孔径?8．0mm），钻头锥顶角50°，钻头锥体部分镀有粒度为80＃的金刚石，锥体部分开有两条对称螺旋状的分屑槽，起容屑、排屑作用，可避免切屑堵塞、烧伤工件。复合钻的前部有一导孔钻（材料为Y330），其直径约为加工孔径的1／3，外伸长度可根据CFRP板材的厚度加以调整。导孔钻起预钻孔作用，以避免钻芯处因切削速度为零而导致切削条件恶化。小直径导孔钻也会产生微小切削缺陷，但由于其直径范围小于最终孔径，可在金刚石钻头钻削过程中被切除。

1．定位螺栓　2．钻头基体　3．分屑槽
　　4．金刚石钻头　5．导孔钻

图1　电镀金刚石复合钻（照片）

　　金刚石刀具具有刀尖锋利、多刃切削、耐磨性优异等优点，因此十分适宜于难加工材料的切削加工。如前所述，造成CFRP钻削时分层、劈裂的主要原因是钻削轴向力在加工表面形成的正应力超过了CFRP的层间结合强度。由于金刚石钻头钻削时为多刃切削，轴向力被分散，加工表面所受正应力也显著下降。此外，由于钻尖锋利，钻削时CFRP纤维断裂变形小，从而减轻了分层、劈裂程度。
　　设计金刚石钻头时要注意以下几点：
　　（1）基体锥顶角宜选用50°～60°。如顶角太小，钻削时间将延长，工件易烧伤；如顶角过大，则钻削轴向力增大，工件易分层、劈裂。
　　（2）导孔钻直径不宜过大，一般取工件孔径的1／3。直径太大将加重分层和劈裂。
　　（3）应根据工件的加工要求选择金刚砂粒度。粒度粗，生产率高，刀具寿命长，切屑不易堵塞，但表面粗糙度较大；粒度细，则相反。

　　4．钻削试验

　　试验用机床为W62X型万能铣床。试验时，将手风钻固定在铣床立铣头上，由铣床工作台提供进给运动，风钻作旋转运动。
　　试验参数：n＝12000r／min，f＝0．005mm／r。
　　试验用钻头：1＃：直径?8mm电镀金刚石复合钻头；2＃：直径?8mm普通硬质合金钻头。
　　用1＃钻头和2＃钻头在上述条件下钻削厚度为4mm的CFRP板。钻削过程中的轴向力Fz和扭矩M如表1所示。加工后的孔壁表面断面金相显微照片见图2。

钻削过程中的轴向力和扭矩表

刀具序号 Fz（kgf） M（kgf*cm）

1＃ 0．45 0．56

2＃ 1．55 0．78

（a）金刚石复合钻头

（b）普通硬质合金钻头

图2　孔壁金相显微照片

　　由上表可看出，用电镀金刚石复合钻头钻削CFRP时，轴向力和扭矩均较小，分别约为普通硬质合金钻头的30％和70％，因此孔加工质量明显提高。从图2可以看出，用1＃钻头加工的工件表面无分层、劈裂现象，而2＃钻头加工的工件表面则有明显的分层、劈裂现象。图3为已加工孔入口出口处的照片。钻削试验结果表明，在高速、低进给的切削条件下，用电镀金刚石复合钻头钻削CFRP板材可获得非常理想的加工表面。

（a）金刚石复合钻头　　（b）普通硬质合金钻头

图3　加工后孔入口出口处照片

　　5．结论

　　电镀金刚石复合钻头是一种新型孔加工刀具，与其它类型的金刚石刀具相比，其制造工艺简单，刀具成本低；由于具有刀尖锋利、多刃切削等优点，该钻头在高速、低进给条件下钻削CFRP板材时，基本无分层、劈裂现象，可明显提高生产率。